Frekvenční měniče

Energetická účinnost a otáčkově řízené pohony
s frekvenčními měniči
Z důvodu nepřetržitě rostoucích cen energie jsou podniky stále častěji
nuceny usilovat o jejich úspory. Diskuze se točí hlavně kolem alternativních zdrojů energie a nových technologií, zatímco již ověřeným technickým řešením, poskytujícím možnosti velkých úspor, se věnuje relativně
málo pozornosti. Takovým je použití frekvenčních měničů k regulaci otáček v aplikacích vytápění, větrání a klimatizace. Málokterá jiná technologie má návratnost i za méně než jeden rok.
Grafy znázorňují vztahy mezi rychlostí pohonu (otáčkami) a průtokem,
tlakem a příkonem. Objemový průtok stoupá přímo úměrně s otáčkami,
tlak roste s kvadrátem otáček, ale nejdůležitější kritérium vztahující se
k úspoře energie, příkon, roste proporcionálně se třetí mocninou otáček.
Znamená to, že již minimální redukce otáček vede k velkým úsporám spotřeby elektrického proudu.
Například poklesem otáček na 75 % se dosáhne 75 % objemového průtoku, avšak spotřeba elektrického proudu klesne až na 42 %.
Úspora energie regulací otáček
Zařízení pro objemový průtok – ventilátory, čerpadla a kompresory se často používají bez regulace otáček. Místo toho se průtok kontroluje pomocí
škrcení, ventilů nebo klapek. Není-li však objemový průtok regulován variabilními otáčkami motoru, běží motor kontinuálně s plnou rychlostí.
Protože systémy jen zřídka potřebují maximální průtočné množství, proplýtvá systém bez regulace otáček značné množství energie. Regulace
otáček motoru poskytuje možnost úspory energie až 70 %.
Srovnání regulace otáček s jinými metodami
regulace objemového průtoku
Jiné typické možnosti regulace objemového průtoku jsou:
– škrcení pomocí klapek nebo ventilů,
– použití přívodních šoupátek v radiálních ventilátorech k omezení
proudu vzduchu ve ventilátoru,
– použití viskózních nebo vířivých spojek k regulaci krouticího momentu mezi ventilátorem a motorem,
– regulace zap/vyp,
– přestavení sklonu lopatek u axiálních ventilátorů, kterým se změní
úhel listů ventilátoru, aby se reguloval objemový průtok.
Spotřeba energie [%]
Nevýhodou konvenčních způsobů řízení průtoku spočívá v tom, že žádný
z nich nemá přímý vliv na spotřebu elektrického proudu. U některých těchto komponentů existují možnosti redukování spotřeby elektrického proudu, ale s ohledem na spotřebu
100
energie žádná z nich není tak
efektivní, jako použití regulace
80
otáček, protože motor běží na
Regulace škrcením
plný výkon. Regulace zap/vyp
způsobuje kvůli zvýšenému po60
čtu zapnutí a vypnutí zvýšené
ÚSPORA
mechanické zatížení, tlakové
40
špičky a odběrové špičky v napájení elektrickým proudem.
20
Co je to pohon s variabilním kmitočtem?
Průtok [%]
Většina použitých elektromotorů jsou tzv. asynchronní motory. Jejich popularita je založena na výhodné ceně, nízkých nákladech na údržbu a vysoké spolehlivosti. Jedinou možností řízení otáček těchto motorů je změna kmitočtu střídavého proudu z obvyklých síťových 50 Hz.
Frekvenční měniče jsou známé pod
mnoha názvy, jako invertory, Varia100
ble Speed Drives (VSD), Variable
Frequency Drives (VFD), měniče
80
kmitočtu nebo měniče frekvence.
60
Současné VFD systémy poskytují
i další užitečné vlastnosti, jako jsou
40
regulační a ochranné funkce pro
20
jiné komponenty v rámci systému.
0
Spotřeba klesá s třetí
mocninou
80
80
Příkon [%]
100
Tlak [%]
20
40
60
80
100
80
100
0
Regulace změnou
otáček
0
20
40
60
80
Průtok [%]
Typický zátěžový profil
Každý systém je zpravidla dimenzován na špičkové zatížení, které je však
během provozu potřebné jen zřídka. Znamená to tedy, že ventilátory a čerpadla jsou po velkou část své provozní doby „předimenzované“. Obrázek
ukazuje, že potřebné průtočné množství je po více než 90 % provozní doby
menší než 70 %.
Typický zátěžový profil soustavy vytápění, chlazení, klimatizace. Na svislé
ose jsou provozní doby odpovídající potřebným výkonům na ose vodorovné. Zdroj: UK Department of Trade and Industry
Otáčky [%]
100
60
40
20
0
0
¤ Srovnání mezi regulací škrcením a regulací otáčkami při
60 % průtočném množství ukazuje významný potenciál úspor
60
40
20
0
20
40
60
Otáčky [%]
5/2009
80
100
0
0
20
40
60
Otáčky [%]
61
100
Náklady na životní cyklus ventilátorů, případně čerpadel
Při diferenci nákladů v této kalkulaci se jedná o odhadnutou diferenci pro
FC a systém se škrticí klapkou této velikosti.
V životním cyklu čerpadel představuje kupní cena zhruba 5 %, servis
a údržba dalších 5 % a zbytek jsou náklady na elektrickou energii. Je zřejmé, že úspory energie mají značný vliv na celkové náklady. Typické náklady na životní cyklus ventilátorů jsou velmi podobné (Hydraulic Institute
www.pumps.org).
Speciální funkce k další úspoře energie
Konstrukční řada frekvenčních měničů NX CentraLine poskytuje funkce,
které dále optimalizují spotřebu energie čerpadel a ventilátorů. Normálně pracují podobné systémy na základě přímo úměrného vztahu kmitočet-napětí. To znamená, že se při zvýšení kmitočtu a tedy otáček motoru
o 10 % zvýší také napětí o 10%. Frekvenční měniče konstrukční řady NX
CentraLine disponují automatickou funkcí, tzv. „Optimalizace Flux“, která přizpůsobením tohoto poměru může optimalizovat úroveň napětí. Tato
funkce může vést k dodatečné úspoře energie až 5 %. Kromě toho disponuje celá výrobková řada možností vypnout vlastní chladicí ventilátor, nebude-li potřebný. To vede k další malé úspoře energie a prodlužuje životnost jediného pohyblivého dílu v měniči.
Kalkulace úspory energie u ventilátoru 5,5 kW pomocí CentraLine kalkulátoru úspor
Z výpočtu a zadaných hodnot vyplývá roční potenciál úspor nákladů na
energii ve výši 992 EUR a doba amortizace investice do frekvenčního měniče v délce 0,65 roku.
Úspory nákladů s malými frekvenčními měniči
v čerpadlových aplikacích
CentraLine konstrukční řada NX (zleva): NXL Compact, NXL HVAC a NXS
Úspory energie v praxi
Jak již bylo objasněno, měly by se úspory frekvenčními měniči zohlednit
při analýze nákladů a doby amortizace. Kalkulační programy CentraLine
pro potenciál úspor ventilátorů a čerpadel poskytují při hodnocení možností úspor při investicích do frekvenčních měničů cennou podporu. Kalkulační programy se opírají o srovnání nejpoužívanějších konvenčních
regulačních postupů, jako je regulace průtoku pomocí škrticích klapek
pro ventilátory nebo ventily a regulace zap/vyp pro čerpadla.
Úspory energie při aplikacích ventilátorů
Připojený příklad ukazuje výpočet úspor pro typický radiální ventilátor
5,5 kW v aplikaci úpravy vzduchu; srovnává se regulace průtoku pomocí
škrticích klapek s regulací otáček pomocí frekvenčního měniče CentraLine.
Pro kalkulaci jsou zapotřebí následující data:
– Data přiváděného plynu: U aplikace klimatizace se zde mohou ponechat standardní hodnoty, protože se jedná o cirkulaci vzduchu.
– Data ventilátoru: Jmenovitý objemový průtok a jmenovitý přírůstek
tlaku jsou patrné z technického listu ventilátoru.
– Účinnost: Použijte podle možnosti reálné hodnoty; dobrý odhad poskytují i standardní hodnoty. Použitý ventilátor má přímý pohon, účinnost
přenosu je tedy 1. Frekvenční měniče CentraLine mají účinnost 0,98.
– Cena energie: Měla by se zadat skutečná cena, aby byl výsledek co nejpřesnější.
– Provozní hodiny: Pokud není známá například hodnota z předchozího
roku, provede se odhad. Tato kalkulace vychází z 80 % využití za rok
s typickými provozními cykly pro aplikace úpravy vzduchu.
62
Alternativa 1
Čerpadlo a motor (~3 kW)
Instalace
Pořizovací náklady
1000 EUR
1000 EUR
2000 EUR
Spotřeba energie za 15 let
Náklady na energii (9 cent/kWh)
394 200 kWh
35 478 EUR
Alternativa 2
Čerpadlo a motor (~3 kW)
VFD – frekvenční měnič
Instalace
Pořizovací náklady
1000 EUR
800 EUR
1200 EUR
3000 EUR
Spotřeba energie za 15 let
(při odhadnuté úspoře energie 30 %)
Náklady na energii (9 cent/kWh)
275 940 kWh
24 834 EUR
Úspora energie za 15 let
Úspora nákladů na energii za 15 let
Úspora nákladů na energii za 1 rok
118 260 kWh
10 643 EUR
709 EUR
Shrnutí
Použití frekvenčních měničů k regulaci otáček proudových strojů jako
jsou čerpadla, ventilátory a kompresory není žádná nová myšlenka. Nové
technologie v této oblasti však činí tuto alternativu na základě snížení
provozních nákladů ještě atraktivnější a nemusí se týkat jen nově pořizovaných strojů, ale i o dovybavení stávajících.
q JH – upraveno podle článku Tomi Ristimäki, Product Manager,
CentraLine c/o Honeywell GmbH, www.centraline.com
q q q
5/2009